课件75张PPT。第2节 化学反应与能量转化
第1课时 化学反应中能量变化的本质及转化形式 一、实验探究化学变化中的能量变化
1.【活动探究】溶解气泡升高Mg+2HCl====MgCl2+H2↑放热气泡降低吸热2.结论:每一个化学反应都伴随着能量的变化,有的反应
_____能量(放热反应),有的反应_____能量(吸热反应)。释放吸收【情境·思考】
古诗《石灰吟》:
千锤万凿出深山,烈火焚烧若等闲。
粉骨碎身浑不怕,要留清白在人间。是一首托物言志诗。作者以石灰作比喻,表达自己为国尽忠,不怕牺牲的意愿和坚守高洁的决心。通过古诗的描述,制取石灰的反应是放热反应还是吸热反应?石灰遇水的反应呢?提示:碳酸钙变为氧化钙的反应为吸热反应,氧化钙变为氢氧化钙的反应为放热反应。二、化学反应中能量变化的实质和原因分析
1.化学反应的实质2.化学反应中能量变化的原因
(1)能量变化的原因:旧化学键破坏时要_____能量(E1),
新化学键形成时要_____能量(E2)。吸收释放(2)反应吸收能量和放出能量的原因:
①从化学键角度分析:若E1>E2,则反应_____能量;若E1
②从物质能量角度分析:若 ,则反
应_____能量;若 ,则反应_____能量。吸收释放放出吸收3.能量转化的形式
化学能 _________、_________或_________等。?热能电能光能4.计算
根据下列信息分析氢气燃烧生成水蒸气时能量的变化情况(1)断裂1 mol H2和 mol O2中的化学键吸收的总能量:
_____________________。?
(2)形成1 mol H2O时释放的总能量:_______。?
(3)燃烧1 mol H2生成水蒸气时_____能量____kJ。436 kJ+249 kJ=685 kJ930 kJ放出245【微思考】
是不是放热反应不需要加热就能发生?吸热反应需要加热才能发生?
提示:不是。反应是放热反应还是吸热反应与反应的条件无关,如煤的燃烧是放热反应,但一般需要加热才能发生;氯化铵和氢氧化钙的反应是吸热反应,但不加热就能发生。【巧判断】
(1)化学反应过程中不一定都有能量变化 ( )
提示:×。因为化学变化中需断裂的化学键与形成的化学键不同,所以一定伴随着能量的变化。(2)镁带燃烧时,化学能全部转化为热能 ( )
提示:×。镁带燃烧时发出耀眼的白光,所以化学能一部分变为光能。
(3)有能量放出的变化都是放热反应,吸收能量的变化都是吸热反应 ( )
提示:×。物理变化也可能伴随着能量的变化。知识点一 化学反应中能量的变化原因及计算
【重点释疑】
1.化学反应的能量变化分析:
(1)从化学键的角度:①E1>E2:反应吸收能量(吸热反应)。
②E1可以总结为新大于旧,反应放热;旧大于新,反应吸热。(2)从物质内部能量变化的角度——“两个过程”:
①可以看作是热能、电能或光能等物质外部的能量被“储存”起来的过程。
②可以看作是“储存”在物质内部的能量(化学能)转化成热能、光能或电能等释放出来的过程。2.化学反应中能量计算的步骤
(1)根据化学方程式确定断键、成键的物质的量。
(2)确定断键吸收的总能量和成键释放的总能量。(3)计算反应的能量变化:
①若反应释放能量。
E=成键时释放能量之和-断键时吸收能量之和
②若反应吸收能量。
E=断键时吸收能量之和-成键时释放能量之和 【易错提醒】分析化学反应中的能量变化时,应注意以下两点:
(1)物质所含能量越低越稳定。化学反应中的能量变化与化学键的断裂和形成有关,断裂化学键吸收的能量等于形成该化学键时释放的能量,能量值越大,化学键越牢固,物质本身越稳定,物质的能量越低。(2)由于任何化学反应中都存在化学键的断裂与生成,因此,任何化学反应在发生物质变化的同时必然发生能量的变化。也就是说任何化学反应中反应物具有的总能量与生成物具有的总能量一定不相等。 【思考·讨论】
如图,若试管中的无色液体是稀硫酸,向其中加入镁条,可以观察到U形管中有什么现象?产生此现象的原因是什么?提示:看到U形管a端液面下降,b端液面上升。原因是镁条与稀硫酸反应放热,致使瓶内气压大于外界气压,从而将U形管中的红色墨水压往U形管的右侧。【案例示范】
【典例】下表中的数据表示破坏1 mol化学键需消耗的
能量,根据表中数据计算以下反应生成1 mol CO2时的
热量变化 ( )
CH4(g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(g)A.放出热量800 kJ
B.放出热量1 520 kJ
C.吸收热量110 kJ
D.放出热量610 kJ【思维建模】利用化学键计算反应中能量变化的解答思路如下:【解析】选A。1个CH4中含4个C—H键,1个O2中含1个
O＝O键,1个CO2中含2个C＝O键,1个H2O中含2个H—O键。
生成1 mol CO2时,断裂4 mol C—H键和2 mol O＝O键,
吸收的热量为Q吸=4EC-H+2 =4×415 kJ+2×498 kJ=
2 656 kJ。形成4 mol H—O键和2 mol C＝O键,释放
的热量为Q放=4EO-H+2 =4×465 kJ+2×798 kJ=3 456 kJ,因为Q放>Q吸,所以反应放热。放出的热量为ΔQ=Q放-Q吸=3 456 kJ-2 656 kJ=800 kJ。【母题追问】(1)因为甲烷生成二氧化碳的反应是放热反应,能不能说甲烷具有的能量大于二氧化碳?
提示:不可以。放热反应是指反应物总能量大于生成物总能量。(2)当反应生成液态水时,反应放出的热量是变多还是变少?
提示:变多。气态水变为液态水时放热。【误区警示】(1)断裂化学键需要吸收的能量越多,物质内部的能量越低,物质越稳定,即能量越低越稳定。
(2)通过化学键的断裂、形成来计算化学反应中能量变化时,要注意物质内部化学键的数量。 【迁移·应用】
1.(2019·威海高一检测)已知1 g氢气完全燃烧生成水蒸气时放出能量121 kJ,且氧气中1 mol O＝O键完全断裂时需要吸收能量496 kJ,水蒸气中1 mol H—O键形成时放出能量463 kJ,则氢气中1 mol H—H键断裂时吸收的能量为 ( )
A.920 kJ B.557 kJ C.436 kJ D.188 kJ【解析】选C。由1 g H2完全燃烧生成水蒸气时放出能
量121 kJ可知:2 g H2(即含1 mol H—H键)完全燃烧生
成水蒸气时放出的能量为121 kJ×2=242 kJ。由化学
方程式:H2(g)+ O2(g) H2O(g),可设1 mol H—H键
断裂吸收的能量为Q,则:Q+ ×496 kJ-2×463 kJ=
-242 kJ,Q=436 kJ。2.下列关于反应能量的说法中正确的是 ( )
A.化学反应中的能量变化,都表现为热量的变化
B.化学键的断裂和形成是化学反应中能量变化的主要原因
C.已知反应:Zn(s)+CuSO4(aq)====ZnSO4(aq)+Cu(s)为放热反应,则反应物总能量<生成物总能量D.相同条件下,如果1 mol氢原子所具有的能量为E1,
1 mol氢分子的能量为E2,则2E1=E2【解析】选B。化学反应中的能量变化,不是都表现为热量的变化,还可能有其他能量的变化,如光能等,A项错误;放热反应中反应物的总能量大于生成物的总能量,C项错误;分子变成原子需要破坏化学键,吸收能量,2E1>E2,D项错误。【补偿训练】
(2019·南京高一检测)化学反应的发生必然伴随有能量的转化,其最根本的原因是 ( )
A.化学反应中一定有新物质生成
B.化学反应中旧的化学键断裂需要吸收能量,新的化学键生成需要放出能量C.化学反应通常需要加热等条件才能发生
D.能量变化是化学反应的基本特征之一【解析】选B。化学反应是吸热还是放热,取决于反应
过程中旧化学键断裂吸收的总能量与新化学键形成放
出的总能量的相对多少,或生成物具有的总能量与反应
物具有的总能量的相对大小。任何化学反应,反应物中
化学键与生成物中化学键均不可能相同,或者说反应物
与生成物不可能相同,故旧键断裂吸收的能量与新键形成放出的能量不可能相等,反应物具有的能量与生成物具有的能量不可能相等。【素养提升】
合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂条件下直接合
成的氨,为一种基本无机化工流程。合成氨工业在20世
纪初期形成,开始用氨作火炸药工业的原料,为战争服
务,第一次世界大战结束后,转向为农业、工业服务。
随着科学技术的发展,对氨的需求量日益增长。德国化学家哈伯从1902年开始研究由氮气和氢气直接合成氨,
于1908年申请专利,即“循环法”。氨的合成反应为N2+3H2 2NH3,1 mol N2完全
反应时放出的能量为92.4 kJ。若断开1 mol H—H键吸
收的能量为436 kJ,形成1 mol H—N键放出的能量为
391 kJ,请判断断开1 mol N≡N键需吸收的能量是多少?提示:945.6 kJ。设断开1 mol N≡N键需吸收的能量为x,根据反应放出的能量=形成新键放出的能量-断开旧键吸收的能量,代入数据:92.4 kJ=6×391 kJ-3×
436 kJ-x,x=945.6 kJ。知识点二 放热反应和吸热反应的比较
【重点释疑】
放热反应和吸热反应的比较【易错提醒】化学反应中能量变化的“不一定”
(1)需加热才能发生的反应不一定是吸热反应,如碳和氧气的反应。
(2)放热反应常温下不一定容易发生,如铝热反应。
(3)吸热反应也不一定需要加热,如Ba(OH)2·8H2O晶体和NH4Cl晶体的反应。(4)放热(或吸热)过程不一定是放热(或吸热)反应,如冰融化是吸热过程而不是吸热反应。 【思考·讨论】
如图是一个一次性加热杯的示意图。当水袋破裂时,水与固体碎块混合,杯内食物温度逐渐上升。制造此加热杯可选用的固体碎块是什么?提示:遇到水放热的物质一般用生石灰。【案例示范】
【典例】结合已知信息判断下列反应是吸热反应还是放热反应:
(1)通过反应物、产物能量的变化判断下列反应是吸热反应还是放热反应:(2)通过计算判断反应H2+Cl2 2HCl是放热反应还是
吸热反应。(3)如图通过实验现象判断反应是吸热反应还是放热反应。现象: 反应后发现沾有水的玻璃片和烧杯冻在一起。(4)根据常见的放热反应和吸热反应判断下列反应哪些属于放热反应:①Al与Fe2O3的反应 ②Mg与CH3COOH溶液的反应 ③燃烧反应 ④中和反应 ⑤复分解反应【解析】(1)反应A中反应物能量小于生成物能量,是吸热反应,反应B中反应物能量大于生成物能量是放热反应。(2)断裂旧化学键吸收的总能量应该是断裂1 mol H—H键与1 mol Cl—Cl键所吸收的能量之和,即436 kJ+
243 kJ=679 kJ。形成新化学键放出的总能量应该是
形成2 mol H—Cl键所放出的能量,即2×431 kJ=
862 kJ。放出的能量大于吸收的能量,所以反应是放热反应。(3)反应后水结冰,说明反应吸热,是吸热反应。
(4)常见的放热反应有:燃烧反应、酸碱中和反应、铝热反应、活泼金属与酸或H2O的反应答案:(1)A吸热反应、B放热反应
(2)放热反应 (3)吸热反应 (4)①②③④ 【迁移·应用】
(2018·天津合格考)下列反应过程中的能量变化符合如图所示的是 ( )
A.CH4的燃烧
B.CaCO3的分解
C.Mg和稀硫酸的反应
D.酸和碱的中和反应【解析】选B。由图可知,反应物能量小于生成物能量,是吸热反应,碳酸钙分解是吸热反应。【补偿训练】
1.下列反应符合图示的是 ( )A.铝片与盐酸的反应
B.Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl晶体的反应
C.酸碱中和反应
D.甲烷在氧气中的燃烧反应【解析】选B。据图可知,该反应属于吸热反应。给出的四个反应中,活泼金属与酸反应、中和反应及燃烧反应均是放热反应,Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl晶体的反应是吸热反应。2.下列说法正确的是 ( )
A.化学反应都伴随着能量的变化,通常表现为热量的变化
B.需要加热的反应一定是吸收热量的反应
C.电解水生成氢气和氧气的反应是吸热反应,又是分解反应,所以分解反应一定是吸收热量的反应
D.放出热量的反应常温下易发生【解析】选A。化学反应中的能量变化通常表现为热量
的变化,也可表现为光能或电能的变化,A项正确;反应是吸收还是放出热量,决定于反应物断键吸收的能量与形成生成物中的新键释放的能量的相对大小,与反应时是否加热或反应类型等无必然联系,B、C两项不正确;一个化学反应是否易发生与许多因素有关,放出热量的反应在常温下也不一定易发生,如燃烧反应等,D项不正确。 【规律方法】放热反应和吸热反应的判断方法
(1)根据反应物和生成物的总能量大小判断。
(2)根据化学键断裂和形成时能量变化大小关系判断。
(3)根据经验规律判断——用常见吸热和放热的反应类型来判断。(4)根据生成物和反应物的相对稳定性判断——由稳定的物质生成不稳定的物质的反应为吸热反应,反之为放热反应。【课堂回眸】
课件77张PPT。第2课时
化学反应能量转化的
重要应用——化学电池 一、原电池的构造及原理
1.原电池原理
(1)原电池:一种利用_____________将_______________
_______的装置。氧化还原反应化学能直接转化成电能(2)原电池原理
①氢氧燃料电池②原电池原理(以氢氧燃料电池为例)氧化还原闭合回路电流失电子氧化得电子还原负正2.原电池的构造【做一做】
如图为由锌、石墨棒和硫酸铜溶液组成的原电池(1)负极反应物是___,___电子发生_____反应;
(2)正极反应物是____,___电子发生_____反应;
(3)工作时以上原电池中_____能转化为___能。Zn氧化Cu2+还原化学电失得二、原电池的设计
1.基本思路2.具体流程3.实例
(1)原电池设计锌片锌片氢离子石墨或铜片稀硫酸或稀盐酸导线逐渐溶解表面有气泡生成(2)装置
①装置 ②电极反应
负极反应:______________,_____反应;
正极反应:2H++2e-====H2↑,还原反应。Zn-2e-====Zn2+氧化【巧判断】
(1)原电池中电子由负极通过导线到正极,然后由正极经溶液再到负极,形成闭合回路。 ( )
提示:×。导电时溶液中没有电子的移动,只有阴阳离子的定向移动。(2)原电池中两电极如果都是金属,一般活泼的金属作负极。 ( )
提示:√。活泼的金属容易失电子,原电池中失电子的一极为负极。(3)铜、锌、稀硫酸组成的原电池中,如果把稀硫酸换成乙醇溶液,也能形成原电池。 ( )
提示:×。原电池中的溶液需要为电解质溶液,乙醇是非电解质。三、原电池的分类【微思考】
燃料电池中燃料是负极反应物还是正极反应物?
提示:负极。在燃料电池中燃料燃烧失电子作负极反应物。氧气得电子作正极反应物。【情境·思考】
现在的电动车上绝大多数装的是铅酸蓄电池,因为铅酸蓄电池成本低,性价比高。1860年,法国的普朗泰发明出用铅作电极的电池。这种电池的独特之处是,当电池使用一段时间后电压下降时,可以给它通以反向电流,使电池电压回升。因为这种电池能充电,可以反复使用,所以称它为“铅酸蓄电池”。蓄电池是一种可充电的电池,广泛应用于电动车、汽车等行业。蓄电池放电时和充电时能量转化是否一样?
提示:不一样。放电时是化学能转化为电能,充电时是电能转化为化学能。知识点一 原电池的原理及电极判断
【重点释疑】
1.原理(以铜锌原电池为例)2.正负极的判断 【易错提醒】判断正负极时应注意的几个问题
(1)活泼性强的不一定是负极,如镁和铝放入氢氧化钠溶液中形成原电池,铝是负极;铜和铝放入浓硝酸中形成原电池,由于铝的钝化,铜是负极。
(2)燃料电池中电极不参与反应,通入燃料的一极为负极,通入助燃剂(一般为氧气)的一极为正极。(3)如果给了电池反应,正负极还可以根据化合价的改变来判断,化合价升高的物质失电子,为负极;化合价降低的物质得电子,为正极。 【思考·讨论】
(1)原电池原理中的“闭合回路”,其含义是什么?提示:原电池在工作时,带电粒子是按照一定的规律,沿一定方向运动的,应当从两方面掌握:一是溶液中的阴离子向负极方向运动,而阳离子向正极方向运动;二是导线上电子从负极流向正极(电流从正极流向负极)。整个回路上带同种电荷的粒子沿一个方向不停地运动。(2)电池的负极只能是金属材料吗?
提示:不是。燃料电池的负极就不是金属如氢氧燃料电池负极材料为石墨。【案例示范】
【典例】(2019·临沂高一检测)如图所示是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡上的记录如下,则卡片上的描述合理的是 ( )A.①②③ B.②④ C.②③④ D.③④⑤【思维建模】解答原电池原理型试题的思维流程如下:【解析】选B。铜锌形成原电池的时候,锌是负极,铜为
正极;由于锌失去电子变成锌离子进入溶液中,电子通
过外电路流向正极,溶液中的氢离子在正极上得到电子,
变成氢气,发生还原反应;阳离子向正极移动,阴离子硫
酸根离子向负极移动;若有0.5 mol电子流经导线,由于
正极的电极反应式为2H++2e-====H2↑,所以会产生0.25 mol的氢气;电子的流向是由负极流向正极,所以应该是由Zn→Cu;正极反应式是2H++2e-====H2↑,发生还原反应。 【母题追问】(1)若将上题图示中的电解质溶液变成硫酸铜溶液,能否形成原电池?若能,请写出电极反应式;若不能,请说明理由。提示:可以形成,只不过是溶液里的氢离子参加反应变成铜离子参加反应。其电极反应如下:负极(Zn):Zn-2e-====Zn2+;正极(Cu):Cu2++2e-====Cu。(2)若此原电池有0.5 mol电子流经导线,此时锌电极的质量将如何变化?
提示:由原电池原理可知,锌电极的质量将减少,由Zn-2e-====Zn2+可知,有0.5 mol电子流经导线时减少的质量为16.25 g。 【迁移·应用】
1.(2019·聊城高一检测) 一种新型的电池,总反应:
3Zn+2 +8H2O====2Fe(OH)3↓+3Zn(OH)2↓+4OH-,
其工作原理如图所示。下列说法不正确的是 ( )A.Zn极是负极,发生氧化反应
B.随着反应的进行,溶液的pH增大
C.电子由Zn极流出到石墨电极,再经过溶液回到Zn极,
形成回路
D.石墨电极上发生的反应为 +3e-+4H2O====
Fe(OH)3↓+5OH-【解析】选C。根据电池总反应,Zn的化合价升高,根据
原电池的工作原理,即锌作负极,发生氧化反应,故A说
法正确;根据电池总反应方程式,生成OH-,溶液的pH增
大,故B说法正确;根据原电池的工作原理,电子从Zn电
极流出经外电路流向石墨,电解质溶液应是阴阳离子定
向移动,没有电子通过,故C说法错误;负极电极反应式为Zn+2OH--2e-====Zn(OH)2↓,正极反应式为 +4H2O
+3e-====Fe(OH)3 ↓+5OH-,故D说法正确。2.番茄是人们爱吃的水果,也是餐桌上的美食,你能想到利用番茄来制作番茄电池吗?如图为某兴趣小组制作的番茄电池,但电路接通后,检流计的指针发生了偏转。下列说法正确的是 ( )A.电子由铜通过导线流向锌
B.该装置是将电能转化为化学能的装置
C.锌电极发生氧化反应
D.电流由锌通过导线流向铜【解析】选C。A项,铜作正极,锌作负极,因此电子由锌通过导线流向铜,故错误;B项,该装置将化学能转化为电能,故错误;C项,锌作负极失去电子,发生氧化反应,故正确;D项,电子与电流的方向相反,因此电流由铜极通过导线流向锌极,故错误。【补偿训练】
(2019·廊坊高一检测)下列说法中正确的是 ( )
A.原电池是把电能转化为化学能的装置
B.原电池中电子流出的一极是正极,发生氧化反应
C.原电池中电流从负极流出,从正极流入
D.原电池中的阳离子向正极移动【解析】选D。原电池是把化学能转化为电能的装置;原电池中电子流出的一极是负极,发生氧化反应;电流从正极流出,从负极流入;原电池中的阳离子向正极移动,发生还原反应。【素养提升】
1.如图是铅蓄电池的结构示意图,电池反应的总方程
式:Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4↓ + 2H2O,则原电
池放电时负极反应物和正极反应物分别是什么?提示:根据化合价变化判断,Pb的化合价升高,发生氧化反应,作负极材料和反应物; PbO2中铅元素化合价降低,作正极材料和反应物。2.如图是酸性和碱性锌锰干电池示意图。酸性和碱性电池的负极材料、负极反应是否一样?
提示:负极材料都是锌,发生的反应不一样。酸性条件下为Zn-2e-====Zn2+,碱性条件下为Zn-2e-+2OH-====Zn(OH)2。3.以下是酸性、碱性氢氧燃料电池的示意图。电池工作时,负极反应物氢气和正极反应物氧气在两种电池中分别生成什么物质?提示:氢气在酸性氢氧燃料电池中变为氢离子,在碱性氢氧燃料电池中变为水;氧气在酸性氢氧燃料电池中变为水,在碱性氢氧燃料电池中变为氢氧根离子。知识点二 原电池原理的应用
【重点释疑】 【思考·讨论】
(1)所有化学反应,都能设计成原电池吗?
提示:不是。原电池的工作原理是使氧化还原反应中转移的电子作定向移动,故只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池。(2)原电池中一定是较活泼金属作负极,较不活泼金属作正极吗?
提示:不一定,如镁条、铝条连接,插入氢氧化钠溶液中,形成的原电池铝作负极,镁作正极。【案例示范】
【典例1】利用生活或实验室中常用物品,根据氧化还原反应知识和电学知识,自己动手设计一个原电池。实验原理:Fe+2H+====Fe2++H2↑。
(1)如何选择电池的正负极材料?(宏观辨识与微观探析)(2)如何选择离子导体?除了以上物质还缺少什么实验用品(已有耳机)?(证据推理与模型认知)
(3)实验装置如图:(科学探究与创新意识)①按如图所示连接好实验仪器,注意观察(耳朵听)耳机是否有声音发出,如果没有,可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极(注意:接触的同时耳机的另一个极是连接在原电池的另一个电极上的),这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓”声音。其原因是在原电池中,由化学能转化为什么能?②如果将装置中的耳机改为电流计,则铁钉应该接电流计的什么极?电极反应是什么?另一极应该接电流计的什么极,发生氧化反应还是还原反应? 【解析】(1)原电池的构成条件是电极、导线、电解质溶液。负极应用铁钉或铁条,正极可选铜棒、铜钉或石墨(如铅笔芯)等;
(2)离子导体可以选择稀硫酸溶液,应盛放在烧杯中,电子导体应用导线。(3)原电池是将化学能转化为电能的装置,电流计的负极应与电源负极相连,负极发生氧化反应,正极发生还原反应。答案:(1)负极:铁钉或铁条 正极:铜钉(其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都正确) (2)稀硫酸 烧杯、导线 (3)①电能 ②负极 Fe-2e-====Fe2+ 正极 还原反应 【规律方法】原电池的设计一般思路:
设计原电池时,首先要根据所提供的氧化还原反应的特点进行设计。原电池的设计要紧扣原电池的构成条件。具体方法是
(1)以自发进行的氧化还原反应为基础。 (2)分析氧化还原反应,从中找出氧化剂和还原剂,并把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应,从而确定电极反应。
(3)以电极反应为基础,根据原电池的工作原理确定电极材料和电解质溶液。通常还原剂即为负极材料,氧化剂为电解质溶液中的某种阳离子,正极材料必须比负极材料的活泼性弱或选石墨作电极。【典例2】(2019·巢湖高一检测)①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时,外电路电流从②流向①;①③相连时,③为正极;②④相连时,②上有气泡逸出;③④相连时,③的质量减少。据此判断这四种金属活泼性由大到小的顺序是 ( )
A.①③②④ B.①③④②
C.③④②① D.③①②④【思维建模】利用原电池判断金属性强弱的一般思路为【解析】选B。由题意知:①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时,外电路电流从②流向①,则金属活泼性①大于②;①③相连时,③为正极,则金属活泼性①大于③;②④相连时,②上有气泡逸出,则金属活泼性④大于②;③④相连时,③的质量减少,则金属活泼性③大于④,故正确顺序为①③④②。 【迁移·应用】
1.(2019·滨州高一检测)下面是四个化学反应,你认为
理论上不可用于设计原电池的化学反应是 ( )
A.2Al+2NaOH+6H2O====2Na[Al(OH)4]+3H2↑
B.2H2+O2 2H2O
C.Zn+CuSO4====Cu+ZnSO4
D.Na2CO3+2HCl====2NaCl+H2O+CO2↑【解析】选D。D项中的反应不属于氧化还原反应,不能设计成原电池。2.(2019·杭州高一检测)一个原电池总反应为Zn+Cu2+
====Zn2++Cu,该电池材料及电解质溶液可能是 ( ) 【解析】选C。原电池总反应为Zn+Cu2+====Zn2++Cu,可得出其负极反应:Zn-2e-====Zn2+(氧化反应),正极反应:Cu2++2e-====Cu(还原反应),因此负极材料只能是Zn。正极为Cu2+得电子还原成铜,电解质应为可溶性铜盐,正极材料为活泼性比Zn弱的Cu、Fe(或C、Pt)等。【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.(2018·山东合格考)下列反应过程中能量变化的趋势与如图所示一致的是
( )
A.C+CO22CO
B.CaCO3CaO+CO2↑
C.2Al+Fe2O32Fe+Al2O3
D.Ba(OH)2·8H2O+2NH4ClBaCl2+2NH3↑+10H2O
【解析】选C。由图可知,反应物能量大于生成物能量,是放热反应,铝热反应是放热反应。
【补偿训练】
(2019·泰安高一检测)下列图示变化为吸收能量的反应的是 ( )
【解析】选A。A项中反应物所具有的总能量低于生成物所具有的总能量,该反应吸热;B项,反应物所具有的总能量高于生成物所具有的总能量,反应放热;C项释放能量,不是化学反应;D项为释放能量的反应。2.(2019·泰安高一检测)下列说法中正确的是 ( )
A.化合反应均是放热反应,分解反应均是吸热反应
B.燃料的燃烧反应是放热反应
C.干冰的升华是吸热反应
D.需要点燃或加热的化学反应一定是吸热反应
【解析】选B。C+CO22CO是化合反应,但需要吸热,2H2O22H2O+O2↑是分解反应,但放出热量,A错误。物质之所以被用作燃料,就是因为它易燃烧并放出热量,B正确。吸热反应属于化学反应的一个类别,干冰升华不是化学反应,C错误。化学反应是吸热反应的决定因素,是反应物的总能量低于生成物的总能量,而与化学反应发生的外部条件无关,“点燃”“加热”都属于化学反应发生的外部条件,D错误。
【补偿训练】
下列过程放出热量的是 ( )
A.冰的融化 B.水的分解
C.硝酸铵溶于水 D.浓硫酸稀释
【解析】选D。物质在发生状态变化时需要吸热或放热,冰的融化吸收热量;大多数分解反应是吸热反应,水的分解需要持续加热或通电;硝酸铵溶于水吸热;浓硫酸溶于水放热。
3.将铁粉和硫粉混合后加热,待反应一发生即停止加热,反应仍可持续进行,直至反应完全生成新物质硫化亚铁。这现象说明了( )
A.该反应是吸热反应
B.该反应是放热反应
C.铁粉和硫粉在常温下可以发生反应
D.硫化亚铁的总能量高于铁粉和硫粉的总能量
【解析】选B。反应发生后停止加热,反应仍可持续进行说明反应为放热反应,A错误,B正确;反应需要加热才能发生,常温下不能进行,C错误;反应是放热反应,所以反应物的总能量高于生成物的总能量,D错误。
4.关于化学反应热现象的说法不正确的是 ( )
①放热反应发生时不必加热 ②化学反应过程中一定有能量变化 ③吸热反应需要加热后才能发生 ④化学反应吸收或放出热量的多少与参加反应的物质的多少有关
A.①② B.②③
C.①③ D.②④
【解析】选C。有很多放热反应也需要加热,如铝热反应,有的吸热反应不需要加热也能发生,如Ba(OH)2和NH4Cl的反应,①③错误;不同的物质具有不同的能量,发生化学变化时,反应过程中一定伴随着能量变化,②正确;能量变化的多少与参加反应的物质的多少成正比,④正确。
5.“摇摇冰”是一种即用即冷的饮料。吸食时,将饮料罐隔离层中的化学物质和水混合摇动即会制冷。根据你的经验判断,该化学物质是 ( )
A.氯化钠 B.固体氢氧化钠
C.固体硝酸铵 D.生石灰
【解析】选C。考查化学物质和水混合时的热效应问题。氯化钠溶于水的能量变化不明显;固体硝酸铵溶于水是吸热的过程;固体氢氧化钠、生石灰溶于水是放热的过程。
6.(1)如图所示,把试管放入盛有25 ℃的饱和澄清石灰水的烧杯中,先放入试管中几小块镁条,再用滴管滴入 5 mL 稀盐酸于试管中,试回答下列问题:
①实验中观察到的现象是_________________________。?
②产生上述现象的原因是__________________________。?
③写出有关反应的离子方程式__________________________。?
④由实验知,反应中MgCl2溶液和H2的总能量________(填“大于”“小于”或“等于”)镁条和盐酸的总能量。?
(2)已知断开1 mol H—H键、1 mol N—H键、1 mol N≡N键分别需要吸收的能量为436 kJ、391 kJ、946 kJ。一定条件下由氢气和氮气反应生成1 mol NH3需要________(填“放出”或“吸收”)________kJ的热量。?
【解析】(1)镁条与稀盐酸反应的过程中镁条逐渐溶解,有大量气泡放出,且由于金属与酸的反应是放热的,放出的热量通过试管传递给饱和石灰水溶液,饱和石灰水温度升高溶解度下降而析出Ca(OH)2固体。该反应过程中的离子方程式是Mg+2H+Mg2++H2↑。由于该反应是放热反应,可以推知反应物的总能量大于生成物的总能量,所以MgCl2溶液和H2的总能量小于镁条和盐酸的总能量。
(2)反应中能量的变化要看断裂反应物所有键需要的能量和形成所有键放出的能量的大小。
答案:(1)①镁条上有大量气泡产生;镁条逐渐溶解;烧杯中析出固体(或烧杯中溶液变浑浊) ②镁条与稀盐酸反应产生氢气,该反应为放热反应,Ca(OH)2在水中的溶解度随温度升高而减小,故析出Ca(OH)2固体
③Mg+2H+M+H2↑ ④小于 (2)放出 46
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课堂检测·素养达标
1.下列装置中,都伴随有能量变化,其中是由化学能转变为电能的是( )
【解析】选D。 A项是将电能转化成化学能;B项是将水的势能转化成电能;C项是将太阳能转化成热能。
2.如图为某兴趣小组制作的番茄电池,下列说法正确的是 ( )
A.电子由锌通过导线流向铜
B.该装置将电能转化为化学能
C.锌电极发生还原反应
D.铜电极上无气泡产生
【解析】选A。因为番茄汁呈酸性(即含有H+),可组成原电池。依据原电池的基本知识,其中Zn作负极,发生氧化反应;Cu作正极,发生还原反应。电子由负极(Zn)通过导线流向正极(Cu)。H+在正极得电子,2H++2e-H2↑,铜电极有气泡产生。
3.下图所示的装置能够组成原电池产生电流的是 ( )
【解析】选B。A中两极不与电解质溶液反应,且两极材料一样,不能产生电势差;C不是闭合回路;D中酒精不是电解质,溶液不能作离子导体。
4.科学家提出了一种经济而且理想的获得氢能源的循环体系(如图)。关于此循环体系,下列说法中错误的是 ( )
A.燃料电池能够使化学反应产生的能量转化为电能
B.燃料电池中通入H2的一极作负极,发生氧化反应
C.在此循环中发生了反应:2H2O2H2↑+ O2↑
D.目前化学家急需解决的问题是寻找合适的光照条件下分解水的催化剂
【解析】选C。氢氧燃料电池的负极通入H2,发生氧化反应;正极通入O2,发生还原反应,故B正确。原电池都是将化学能转化为电能的装置,故A正确。推广氢能的关键是寻找合适的催化剂,利用太阳能分解水。
5.如图是生活中常用的锌锰干电池的示意图,下列有关说法中不正确的是 ( )
A.电池内部含有电解质
B.锌是负极,石墨棒是正极
C.电池用完后可埋入土壤
D.锌锰干电池是一次性电池
【解析】选C。用完的电池埋入土壤中易造成土壤污染以及地下水污染。
6.(2019·南京高一检测)如图所示,将锌、铜通过导线相连,置于稀硫酸中。
(1)锌片上的现象是________,电极反应为________________。?
(2)铜片上的现象是________,电极反应为______________。?
(3)电子由________经导线流向________。?
(4)若反应过程中有0.2 mol电子发生转移,则生成的氢气在标准状况下的体积为________。?
【解析】Cu-Zn-稀H2SO4形成的原电池中,Zn作负极:Zn-2e-Zn2+,现象是锌片逐渐溶解,Cu作正极:2H++2e-H2↑,铜片表面有气泡产生。电子由负极(Zn)经导线流向正极(Cu)。由电极反应式可知当有0.2 mol电子发生转移时,可生成0.1 mol H2。即标准状况2.24 L H2。
答案:(1)锌片逐渐溶解 Zn-2e-Zn2+ (2)铜片上有气泡产生 2H++2e-H2↑ (3)锌片 铜片 (4)2.24 L
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课时素养评价 九
化学反应中能量变化的本质及转化形式
(30分钟 50分)
一、选择题(本题包括3小题,每小题7分,共21分)
1. (2019·济南高一检测)已知2H2+O22H2O,关于该反应的下列说法错误的是
( )
A.该反应是一个放热反应
B.参加反应的氢气和氧气的总能量高于反应生成的水的总能量
C.反应条件“点燃”决定了该反应是一个吸热反应
D.2 mol H2和1 mol O2反应时断裂化学键吸收的总能量小于生成2 mol H2O时形成化学键释放的总能量
【解析】选C。氢气与氧气的反应是放热反应,反应物的总能量高于生成物的总能量,反应物中断裂化学键吸收的总能量小于生成物中形成化学键释放的总能量,与反应条件无关。
【补偿训练】
已知反应X+YM+N为吸热反应,对这个反应的下列说法中正确的是 ( )
A.X的能量一定低于M的,Y的能量一定低于N的
B.因为该反应为吸热反应,故一定要加热,反应才能进行
C.破坏反应物中的化学键所吸收的能量小于形成生成物中化学键所放出的能量
D.X和Y的总能量一定低于M和N的总能量
【解析】选D。吸热反应中反应物的总能量<生成物的总能量,不能单指某一种反应物与某一种生成物的能量大小,A错误,D正确;吸热反应不一定必须加热才能发生,B错误;从微观角度解释,吸热反应中破坏反应物中的化学键所吸收的能量大于形成生成物中化学键所放出的能量,C错误。
2.(2019·蚌埠高一检测)化学反应A2+B22AB的能量变化如图所示,则下列说法正确的是 ( )
A.该反应是吸热反应
B.断裂1 mol A—A键和1 mol B—B键能放出x kJ能量
C.断裂2 mol A—B键需要吸收y kJ的能量
D.2 mol AB的总能量高于1 mol A2和1 mol B2的总能量
【解析】选C。从能量变化图示上可以看出,反应物总能量高于生成物总能量,该反应是放热反应,A、D错误;断裂化学键时要吸收能量,故B错误。
【补偿训练】
在一定条件下A与B反应可生成C和D,其能量变化如图:
下列有关反应A+BC+D的说法正确的是 ( )
A.反应前后原子的种类和数目一定不变
B.反应前后分子的种类和数目一定改变
C.反应物的总能量E1与生成物的总能量E2一定相等
D.此反应一定有热量的变化
【解析】选A。B项,分子的种类一定发生了变化,但是分子数目不一定发生变化;C项,化学反应在发生物质变化的同时,一定伴随着能量的变化;D项,有能量的变化,不一定有热量的变化。
3.一种化学冰袋含有Na2SO4·10H2O和NH4NO3,将它们混合并用手搓揉就可制冷,且制冷效果能维持一段时间。以下关于其制冷原因的推测中肯定错误的是
( )
A.Na2SO4·10H2O脱水是吸热过程
B.较长时间制冷是由于Na2SO4·10H2O脱水过程较慢
C.Na2SO4·10H2O在该条件下发生的复分解反应是吸热反应
D.NH4NO3溶于水会吸收热量
【解析】选C。Na2SO4·10H2O脱水是吸热过程,故A正确;因为十水硫酸钠脱水较慢,它一点点地脱水,水遇上硝酸铵吸热,因此制冷效果可以维持较长时间,故B正确;Na2SO4·10H2O和NH4NO3不能发生复分解反应,故C错误;硝酸铵夺取硫酸钠结晶水,是一个吸热反应,同时溶解吸热,故D正确。
二、非选择题(本题包括1小题,共9分)
4.如图是1 mol H2与mol O2反应中能量的变化图。试探究以下问题:
①图中a、b、c、d表示的含义是什么?
提示:a表示1 mol H2O(g)的能量;b表示1 mol H2(g)和mol O2(g)的能量之和,c表示破坏1 mol H—H键、mol OO键所吸收的能量;d表示反应过程中生成1 mol H2O(g)放出的能量。
②图中c+d是何意义?a、b、d之间有什么关系?
提示:c+d代表形成2 mol H—O键所放出的能量。a、b、d之间的关系为b-a=d。
一、选择题(本题包括1小题,每小题8分,共8分)
5.石墨和金刚石互为同素异形体,石墨在一定条件下可以转化为金刚石。已知12 g石墨完全转化成金刚石时,需要吸收1.9 kJ的能量。下列说法正确的是( )
A.石墨不如金刚石稳定
B.金刚石不如石墨稳定
C.石墨转化为金刚石是物理变化
D.等质量的石墨与金刚石完全燃烧,石墨放出的能量更多
【解析】选B。由于石墨变成金刚石时需吸收能量,说明金刚石的能量高,物质的能量越高越不稳定,所以金刚石不如石墨稳定;金刚石与石墨互为同素异形体,是不同的单质,二者之间的转化是化学变化;由于石墨和金刚石完全燃烧后生成的是同种物质,所以放出的能量等于反应物的总能量与生成物的总能量之差,而金刚石的能量高于石墨,所以放出的能量也高于石墨。
【补偿训练】
1.环保型燃料——丙烷燃烧时发生反应的化学方程式为C3H8+5O23CO2+
4H2O。下列说法中不正确的是 ( )
A.燃烧时化学能只转化为热能
B.所有的燃烧反应都会释放热量
C.1 mol C3H8和5 mol O2所具有的总能量大于3 mol CO2和4 mol H2O所具有的总能量
D.丙烷完全燃烧的产物对环境无污染,故丙烷为环保型燃料
【解析】选A。丙烷燃烧时还有化学能与光能的转化,A项错;燃烧都是放热反应,B项对;因为丙烷燃烧为放热反应,所以据反应的化学方程式可知,C项对;丙烷完全燃烧时产物为CO2与H2O,故对环境无污染,D项对。
2.已知断裂1 mol C—H键,要吸收热量414.4 kJ;断裂1 mol C—C键,要吸收热量347.4 kJ;生成1 mol CC键,会放出热量615.3 kJ;生成1 mol H—H键,会放出热量435.3 kJ,某有机物分解的反应可表示为
+H—H
若在反应中消耗了1 mol乙烷,则有关该反应的说法正确的是 ( )
A.该反应放出251.2 kJ的热量
B.该反应吸收251.2 kJ的热量
C.该反应放出125.6 kJ的热量
D.该反应吸收125.6 kJ的热量
【解析】选D。1 mol乙烷含有1 mol C—C键,6 mol C—H键,生成物含1 mol CC键,4 mol C—H键和1 mol H—H键。断键吸收的热量为Q吸=6EC-H+EC-C=
414.4 kJ×6+347.4 kJ=2 833.8 kJ。成键释放的热量为Q放=4EC-H+EC=C+EH-H=4×414.4 kJ+615.3 kJ+435.3 kJ=2 708.2 kJ,因为Q吸>Q放,所以该反应吸热。吸收的热量为ΔQ=Q吸-Q放=2 833.8 kJ-2 708.2 kJ=125.6 kJ。
二、非选择题(本题包括1小题,共12分)
6.硅是太阳能电池的重要材料。工业冶炼纯硅的原理是
粗硅冶炼:①SiO2+2CSi+2CO↑
精炼硅:②Si+3HClSiHCl3+H2↑
③SiHCl3+H2Si+3HCl
化学反应与能量变化如图所示,回答下列问题:
(1)反应①是________反应(填“吸热”或“放热”),反应②是________反应(填“吸热”或“放热”)。?
(2)反应③破坏反应物中的化学键所吸收的能量________(填“大于”或“小于”)形成生成物中化学键所放出的能量。?
【解析】(1)反应①的反应物的总能量低于生成物的总能量,属于吸热反应,反应②的反应物的总能量高于生成物的总能量,属于放热反应。
(2)反应③的反应物的总能量低于生成物的总能量,属于吸热反应,故破坏反应物中的化学键所吸收的能量大于形成生成物中化学键所放出的能量。
答案:(1)吸热 放热
(2)大于
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课时素养评价 十
化学反应能量转化的重要应用——化学电池
(40分钟 70分)
一、选择题(本题包括8小题,每小题5分,共40分)
1.一种氢能的制取、贮存及利用如图所示,图示中能量转化方式不涉及( )
A.电能→化学能 B.光能→化学能
C.化学能→电能 D.电能→机械能
【解析】选A。氢能的制取、贮存及利用未涉及电能转化为化学能的电解装置部分,故选A;太阳光照射,贮存氢气,为光能转化为化学能,故不选B;氢气燃料电池的使用,为化学能转化为电能,故不选C;氢气燃料电池车的运动,为电能转化为机械能,故不选D。
2.(2019·枣庄高一检测)氢氧燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置,它是以铂作电极,KOH溶液作电解液,总反应为2H2+O22H2O,正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,下列叙述不正确的是 ( )
A.H2通入负极区
B.O2通入正极区
C.负极发生氧化反应
D.正极发生氧化反应
【解析】选D。根据原电池的原理,还原性的物质应该在负极上发生反应,氧化性的物质应该在正极上发生反应,根据总反应,H2通入负极区,O2通入正极区,对应的负极发生氧化反应而正极发生还原反应。
3.(2016·上海高考)图1是铜锌原电池示意图。图2中,x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量,y轴表示 ( )
A.铜棒的质量 B.c(Zn2+)
C.c(H+) D.c(S)
【解题指南】图1装置构成原电池,Zn是负极,Cu是正极。
【解析】选C。在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气,铜棒的质量不变,A项错误;由于Zn是负极,不断发生反应Zn-2e-Zn2+,所以溶液中c(Zn2+)增大,B项错误;由于反应不断消耗H+,所以溶液的c(H+)逐渐降低,C项正确; S不参加反应,其浓度不变,D项错误。
4.(2018·北京合格考)原电池原理的发现和各种电池装置的发明,改变了人们的生活方式。下列关于如图所示原电池装置的说法中,不正确的是 ( )
A.Zn为原电池的负极
B.能将化学能转化为电能
C.电子从Cu经导线流向Zn
D.Cu上发生的反应为2H++2e-H2↑
【解析】选C。由图可知此装置为原电池装置,化学能转化为电能,锌为负极,电子由锌经导线流向铜,氢离子在铜极上得电子变为氢气。
5.(2019·潍坊高一检测)有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
实验
装置
部分
实验
现象
a极质量减小,b极质量增大
b极有气体产生,c极无变化
d极溶解,c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是 ( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>c D.a>b>d>c
【解析】选C。装置一是原电池,a极质量减小,说明a极金属失电子形成离子,故a极金属比b极金属活泼;装置二没有形成原电池,可知b比c活泼,且c位于金属活动性顺序表中氢的后面;装置三形成原电池,易知d比c活泼;装置四中,电流从a极流向d极,则电子是从d极流向a极,知d比a活泼。因此四种金属的活动性顺序为d>a>b>c。
【方法规律】金属活动性强弱的判断方法
(1)与水或酸反应置换出氢气的难易程度。
(2)最高价氧化物对应的水化物的碱性强弱。
(3)置换反应;活泼金属置换不活泼金属。
(4)阳离子氧化性的强弱。
(5)通常情况下,原电池中负极金属的活动性强于正极金属。
6.(2019·淄博高一检测)Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是 ( )
A.负极反应式为Mg-2e-Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑
【解析】选B。根据题意,电池总反应式为Mg+2AgClMgCl2+2Ag,正极反应式为2AgCl+2e-2Cl-+ 2Ag,负极反应式为Mg-2e-Mg2+,A项正确,B项错误;对原电池来说,在电解质溶液的内部,阴离子由正极移向负极,C项正确;由于镁是活泼金属,则负极会发生副反应Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑,D项正确。
7.(2019·南阳高一检测)如图所示装置,检流计指针发生偏转,同时A极逐渐变粗,B极逐渐变细,C为电解质溶液,则A、B、C应是下列各组中的 ( )
A.A是Zn,B是Cu,C为稀硫酸
B.A是Cu,B是Zn,C为稀硫酸
C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液
D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNO3溶液
【解析】选D。A极逐渐变粗,说明A极为原电池的正极,溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出;B极逐渐变细,说明B极为原电池的负极,失去电子后变成离子进入溶液中。A和B两项中的反应为Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑,则在A选项中A极变细,B选项中A极不变。C和D两项中的反应为Fe+2AgNO32Ag+Fe(NO3)2,其中C选项中A极变细,D选项中A极变粗。
8.依据氧化还原反应: 2Ag+(aq)+Cu(s)Cu2+(aq)+2Ag(s),设计的原电池如图所示。下列有关说法中错误的是 ( )
A.电解质溶液Y是CuSO4溶液
B.电极X的材料是Cu
C.银电极为电池的正极,其电极反应为Ag++e-Ag
D.外电路中的电子是从X电极流向Ag电极
【解析】选A。由电池反应可知,电解质溶液为AgNO3溶液而不是CuSO4溶液。
【补偿训练】
1.(2019·滁州高一检测)瓦斯分析仪(如图甲)工作原理类似燃料电池的工作原理,其装置如图乙所示,其中的固体电解质是Y2O3-Na2O,O2-可以在其中自由移动。
下列有关叙述中正确的是 ( )
A.瓦斯分析仪工作时,电池内电路中电子由电极b流向电极a
B.电极b是正极,O2-由电极a流向电极b
C.电极a的反应式为CH4+4O2-―8e-CO2+2H2O
D.当固体电解质中有1 mol O2-通过时,电子转移4 mol
【解析】选C。电子不能在电池内电路流动,只能在外电路中流动,A错;电极b氧气得电子,生成O2-,而电极a需要O2-作为反应物,故O2-由正极(电极b)流向负极(电极a),B错;甲烷所在电极a为负极,电极反应为CH4+4O2--8e-CO2+2H2O,C正确;1 mol O2得4 mol电子生成2 mol O2-,故当固体电解质中有1 mol O2-通过时,电子转移2 mol,D错。
2.金属(M)-空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.金属M作电池负极
B.电解质是熔融的MO
C.正极的电极反应:O2+2H2O+4e-4OH-
D.电池反应:2M+O2+2H2O2M(OH)2
【解析】选B。金属(M)-空气电池中M失电子作负极,故A正确;根据传递M2+和OH-,可知电解质是熔融的M(OH)2,故B错误;空气中的氧气得电子作正极,电极反应O2+2H2O+4e-4OH-,故C正确;电池总反应为2M+O2+2H2O2M(OH)2,故D正确。二、非选择题(本题包括2小题,共30分)
9.(14分) (2019·天津南开区高一检测)为节省药品和时间,甲、乙、丙三位同学用铜片、锌片、稀硫酸、CuSO4溶液、直流电源、石墨电极、导线、烧杯、试管等中学化学常见的药品和仪器(用品),通过巧妙的构思,设计了比较铜、锌金属活动性相对强弱的系列实验。试填写下列空白:
(1)甲同学分别将一小片铜片、锌片置于烧杯底部(铜与锌不接触),向烧杯中小心加入稀硫酸,观察到的现象是?????????__。?
甲同学的设计思路是?_????????????????_。?
(2)乙同学接着甲的实验,向烧杯中滴加________________溶液,进而观察到的现象是__??????????__。?
乙同学作出锌、铜金属活动性相对强弱的结论所依据的原理是?________。?
(3)请你再单独设计一个简单的实验(试剂、仪器自选),探究和证实锌、铜金属活动性的相对强弱(简要说明操作和现象) ???????????__。?
【解析】从该题的实验目的来看,是要用实验证明锌和铜的金属活动性的相对强弱;从实验方法来看,有与酸反应产生气泡的快慢、构成原电池时负极比正极活泼、置换反应时的现象等。
(1)甲同学用两种金属放到酸中观察是否产生气泡或产生气泡的快慢来比较。
(2)乙同学在甲的基础上,加入CuSO4溶液观察现象。锌与少量硫酸铜发生置换反应生成的铜附在锌表面形成微型原电池,加快了反应速率,产生气泡的速率加快,说明锌比铜活泼。
(3)最后要设计一种方案,可以从氧化还原反应的先后顺序去证明金属的活泼性,即与同种氧化剂接触时,活泼性强的金属先与氧化剂反应,活泼性弱的金属后与氧化剂反应,因此可以将锌、铜分别同时加入少量浅绿色的氯化亚铁溶液中,加入锌的溶液褪色,说明锌比铜活泼。
答案:(1)锌片上有气泡产生,铜片上无气泡 锌能置换出酸中的氢,而铜不能
(2)CuSO4 锌片上有红色的铜析出,锌片上产生气泡的速率明显加快 活泼金属可以把不活泼金属从其盐溶液中置换出来(或Zn、Cu、稀硫酸组成原电池,Zn为负极)
(3)分别取一小片铜片与锌片置于两支试管中,向试管中加入少量浅绿色的FeCl2溶液,片刻后,加锌片的试管中溶液的颜色褪去,溶液近乎无色(其他合理答案也可)
10.(16分)微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用,有一种银锌电池,其电极分别是Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,总反应为Ag2O+ZnZnO+2Ag,其中一个电极反应为Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-。
(1)判断正负极的材料。
提示:根据电池总反应可知,Zn失电子被氧化而溶解,Ag2O得电子被还原发生还原反应。因此Zn为负极材料,Ag2O为正极材料。
(2)写出另一电极的电极反应式,并判断反应类型。
提示:Zn+2OH--2e-ZnO+H2O,氧化反应。利用总的电池反应减去一极的电极反应式,就可以得到另一极的电极反应式。
(3)判断电池工作时,电子的流动方向和电解质溶液中离子的流动方向。
提示:电池工作时,电子由负极经外电路到正极,即电子从Zn极经外电路到Ag2O极。溶液中的阳离子流向电池的正极(Ag2O),阴离子流向电池的负极(Zn)。
(4)在电池使用的过程中,电解质溶液中KOH的物质的量怎样变化?
提示:不变。电池中KOH只起增强导电的作用,不参与反应,故电池使用过程中KOH的物质的量不变。
(5)当电池工作时通过电路对外提供了1 mol电子,计算消耗的负极的质量。
提示:32.5 g。根据电极反应式,1 mol Zn失2 mol电子,因此当通过1 mol电子时,负极消耗Zn的物质的量为0.5 mol,其质量为32.5 g。
(20分钟 30分)
一、选择题(本题包括3小题,每小题5分,共15分)
11.(2019·日照高一检测)美国NASA曾开发一种铁-空气二次电池。该电池放电时,其原理如图所示,电池反应为2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2。
有关该电池放电时的说法正确的是 ( )
A.电极a质量不变
B.电极b为电池负极
C.电子由电极a经负载流向电极b
D.由电能转变为化学能
【解析】选C。从已知的反应原理看,Fe在反应过程中失去电子,则在原电池的负极发生反应,O2在反应过程中得到电子,则在原电池的正极发生反应。电极a上Fe失去电子生成Fe2+,并进一步变成Fe(OH)2,所以电极a的质量增大,A错误;电极b上O2得到电子,作原电池的正极,B错误;电子从负极流出,经过外电路流向正极,C正确;原电池是一种将化学能转变成电能的装置,D错误。
12.(2019·南昌高一检测)分析如图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是
( )
A.①②中Mg作为负极,③④中Fe作为负极
B.②中Mg作为正极,电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑
C.③中Fe作为负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+
D.④中Cu作为正极,电极反应式为2H++2e-H2↑
【解析】选B。Mg比Al活泼,在①中Mg作负极,但在NaOH溶液中,Mg不反应,而Al可以反应,故②中Al是负极。在浓硝酸中铁会钝化,故Cu为负极,Fe为正极。在④中由于不断向Cu极附近通入空气,而O2比溶液中的H+得电子能力强,故Fe失去电子,在Cu极O2得到电子发生还原反应,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
【方法规律】原电池电极反应式的书写方法
复杂电极反应式的书写:正、负极反应式相加即可得到原电池总反应式,相加时应注意正、负极得失电子数目要相等。因此,复杂的电极反应式=原电池总反应-简单的电极反应式。
13.(2018·山东合格考)如图所示,将锌片和铜片按不同方式插入稀硫酸中,下列说法正确的是 ( )
A.甲中电子经导线从铜片流向锌片
B.两烧杯中锌片上均发生还原反应
C.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
D.一段时间后,两烧杯中溶液的c(H+)均减小
【解析】选D。甲中锌是负极,铜是正极,电子由锌片经导线流向铜片,A错误;锌失电子变为锌离子,发生了氧化反应,B错误;甲中氢离子得电子变为氢气,在铜片上析出,C错误;两个装置中均发生锌和氢离子反应生成氢气的反应,所以氢离子浓度均减小,D正确。
二、非选择题(本题包括1小题,共15分)
14.给你提供纯锌、纯铜片和500 mL 0.2 mol·L-1的H2SO4溶液、导线、1 000 mL量筒。试用如图装置来测定锌和稀硫酸反应时在某段时间内通过导线的电子的物质的量。
(1)如图所示,装置气密性良好,且1 000 mL量筒中已充满了水,则开始实验时,首先要______________________。?
(2)a电极的反应式为______________,?b电极的反应式为________________。?
(3)如果将a、b两电极的电极材料对调,U形管中将出现的现象是_________。?
(4)当量筒中收集到672 mL气体时(标准状况下),通过导线的电子的物质的量是________。?
【解析】 (1)要形成原电池,需要闭合线路,故首先要用导线把a、b两电极连接起来。(2)正极上有气体生成,即b是正极,a为负极,锌比铜活泼,锌是负极、铜是正极,故a电极的反应式为Zn-2e-Zn2+;b电极的反应式为2H++2e-H2↑。(3)如果将a、b两电极的电极材料对调,则a极产生气体,故U形管中将出现的现象是U形管左端液面下降,右端液面上升。(4)672 mL气体为H2,其物质的量为n(H2)==0.03 mol,根据2H++2e-H2↑可知,n(e-)=2n(H2)=2×
0.03 mol=0.06 mol。
答案:(1)用导线把a、b两电极连接起来
(2)Zn-2e-Zn2+ 2H++2e-H2↑
(3)U形管左端液面下降,右端液面上升
(4)0.06 mol
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